Tài liệu Nghiên cứu hoạt tính sinh học của một số hợp chất trong cây trinh nữ hoàng cung việt nam (crinum latifolium l.) với miền tyrosine kinase của thụ thể her2 bằng phương pháp in silico

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN TƯỜNG SƠN NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT TRONG CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM (Crinum latifolium L.) VỚI MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ HER2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN SILICO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC ••• Bình Định - Năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN TƯỜNG SƠN NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT TRONG CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM (Crinum latifolium L.) VỚI MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ HER2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN SILICO Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí Mã số: 8440119 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Người hướng dẫn: PGS. TS. VŨ THỊ NGÂN TS. DIỆP THỊ LAN PHƯƠNG •• LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và kết quả sử dụng trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khác. LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa học tính toán và Mô phỏng thuộc bộ môn Hóa học, khoa Khoa Học Tự Nhiên trường Đại học Quy Nhơn. Lời đầu tiên cho em xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Vũ Thị Ngân và TS. Diệp Thị Lan Phương đã luôn luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy, Cô trong Bộ môn Hóa học, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã trang bị cho chúng em những kiến thức khoa học giá trị. Ngoài ra, em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, anh chị nghiên cứu sinh và các bạn học viên, sinh viên trong Nhóm Hóa học tính toán và Mô phỏng đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ để em hoàn thành luận văn này. Tác giả Trần Tường Sơn MỤC LỤC •• LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 3 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ 4 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT .......................... 7 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................... 10 MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................... 1 2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu đề tài ................................. 2 3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................ 5 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................... 5 5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 6 6. Cấu trúc luận văn................................................................................... 7 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................. 8 NỘI DUNG LUẬN VĂN .............................................................................. 9 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP IN SILICO ............................................................................................................ 9 1.1. PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ ................................... 9 1.1.1. Mô hình Thomas - Fermi................................................................9 1.1.2. Các định lý Hohenberg-Kohn......................................................10 1.1.3. Các phương trình Kohn-Sham.....................................................10 1.1.4. Một số phiếm hàm trao đổi..........................................................12 1.1.5. Một số phiếm hàm tương quan ...................................................13 1.1.6. Một số phương pháp DFT thường dùng......................................14 1.2. PHƯƠNG PHÁP DOCKING PHÂN TỬ ......................................15 1.2.1. Thuật toán docking ......................................................................17 1.2.2. Các hàm đánh giá.........................................................................24 1.2.3. Sự hình thành tương tác................................................................31 1.2.4. Các phần mềm docking phân tử ..................................................35 1.3. QUY TRÌNH THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU..................................36 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU ....................38 2.1. THỤ THỂ HER2 ..............................................................................38 2.1.1. Cấu trúc thụ thể HER2..................................................................38 2.1.2. Ảnh hưởng của HER2 đến các loại ung thư ...............................40 2.2. MIỀN TYROSINE KINASE CỦA THỤ THỂ HER2 .................... 43 2.2.1. Cấu trúc tinh thể của miền tyrosine kinase của HER2 .............. 43 2.2.2. Liệu pháp mục tiêu nhắm miền tyrosine kinase của HER2 ....... 44 2.3. CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VIỆT NAM........................... 47 2.3.1. Phân loại khoa học...................................................................... 47 2.3.2. Sự phân bố và đặc điểm hình thái............................................... 47 2.3.3. Thành phần hóa học.................................................................... 48 2.3.4. Hoạt tính sinh học của một số hợp chất...................................... 52 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................. 55 3.1. TƯƠNG TÁC CỦA CÁC THUỐC TỔNG HỢP VỚI HER2-TK 55 3.1.1. Tương tác của lapatinib với HER2-TK ...................................... 56 3.1.2. Tương tác của neratinib HER2-TK ............................................ 58 3.1.3. Tương tác của erlotinib HER2-TK ............................................ 59 3.1.4. Tương tác của gefitinib với HER2-TK....................................... 61 3.2. TƯƠNG TÁC CỦA CÁC PHÂN TỬ THUỐC CÓ NGUỒN GỐC THỰC VẬT VỚI HER2-TK ...................................................................... 62 3.2.1. Tương tác của camptothecin với HER2-TK................................. 65 3.2.2. Tương tác của taxol với HER2-TK ............................................ 66 3.2.3. Tương tác của etoposide với HER2-TK .................................... 67 3.3. TƯƠNG TÁC CỦA CÁC PHÂN TỬ TRONG CÂY TRINH NỮ HOÀNG CUNG VỚI HER2-TK.................................................................68 3.3.1. Tương tác của các hợp chất alkaloid với HER2-TK .................... 68 3.3.2. Tương tác của các flavonoid với HER2-TK............................... 78 3.3.3. Tương tác của các hợp chất khác với HER2-TK........................ 82 KẾT LUẬN .................................................................................................. 85 KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 88 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT •• ADMET Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion and Toxicity (Hấp thu, phân chia, trao đổi chất, bài tiết và độc tính) ATP Adenosine Triphosphate DFT Density Functional Theory (Thuyết phiếm hàm mật độ) DNA Deoxyribonucleic Acid ECD EGFR Extracellular domain (Miền ngoại bào) Epidermal Growth Factor Receptor (Thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì) Erythroblastic B ErbB FDA Food and Drug Administration (Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Thuốc Hoa Kỳ) GA Genetic Algorithm (Thuật toán di truyền) GS HER2 Global Search (Tìm kiếm toàn phần) Human Epidermal Growth Factor Receptor 2 (Thụ thể yếu tố tăng trưởng biểu bì ở người loại 2) Tyrosine kinase domain of Human Epidermal Growth HER2-TK Factor Receptor 2 (Miền tyrosine kinase của thụ thể yếu tố HF In silico In vitro Hartree-Fock Phương pháp thực hiện mô phỏng thí nghiệm trên máy tính Phương pháp thực hiện thí nghiệm trong ống nghiệm In vivo Phương pháp thực hiện thí nghiệm trên cơ thể sống Ki Inhibition constant (Hằng số ức chế) LGA Lamarckian Genetic Algorithm (Thuật toán di truyền Lamarckian) LS Local Search (Tìm kiếm cục bộ) MC Monte Carlo (Phương pháp Monte Carlo) Molecular Dynamic (Phương pháp động lực học phân MD PDB SBDD tử ) Protein Data Bank (Ngân hàng dữ liệu protein) Structure-Based Drug Design (Thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc) SF Scoring Functions (Hàm đánh giá) TM Transmembrane domain (Miền xuyên màng) TNHC RNA Trinh nữ hoàng cung Ribonucleic Acid DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 39 2.1 Tên gọi, tên viết tắt và tính chất của các amino acid cơ bản Một số phân tử thuốc tổng hợp đã được công nhận trong 2.2 45 điều trị ung thư do sự biểu hiện quá mức của HER1 và HER2loại khoa học của Trinh nữ hoàng cung Việt Nam 2.3 Phân 47 2.4 Các hợp chất alkaloid trong Trinh nữ hoàng cung Việt Nam 49-50 2.5 Các hợp chất flavonoid trong Trinh nữ hoàng cung Việt 51 Các hợp chất khác trong Trinh nữ hoàng cung Việt Nam 52 2.6 Nam 3.1 Kết quả docking các thuốc tổng hợp với HER2-TK 56 Một số loại thuốc điều trị ung thư có nguồn gốc thực vật 3.2 62-63 được FDA công nhận và thương mại hóa Kết quả docking các thuốc có nguồn gốc thiên nhiên với 3.3 64 HER2-TK 3.4 Kết quả docking các hợp chất alkaloid với HER2-TK 69-70 3.5 Kết quả docking các hợp chất flavonoid với HER2-TK 78 Kết quả docking các hợp chất coumarine và ester với 3.6 83 HER2- TK DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Tên hình Sơ đồ minh họa về việc ghép một phối tử phân tử nhỏ (màu xanh lá cây) vào protein đích (màu đen) tạo ra một phức bền 1.2 Mô tả sơ đồ tính SF dựa vào tri thức Các tương tác được hình thành trong các phức hợp phối tử và 1.3 protein 2.1 Cấu trúc tinh thể của HER2-TK với phối tử SYR127063 3.1 Tương tác của lapatinib với tâm hoạt động của HER2-TK 3.2 Tương tác của neratinib với tâm hoạt động của HER2-TK 3.3 Tương tác của erlotinib với tâm hoạt động của HER2-TK 3.4 Tương tác của gefitinib với tâm hoạt động của HER2-TK 3.5 Tương tác của camptothecin với tâm hoạt động của HER23.6 TK Tương tác của taxol với tâm hoạt động của HER2-TK 3.7 Tương tác của etoposide với tâm hoạt động của HER2-TK Đồ thị năng lượng tự do liên kết (AG - kcal/mol) của các 3.8 phân tử hợp chất alkaloid với HER2-TK Tương tác của alkaloid thuộc nhóm tương tác tốt với tâm 3.9 hoạt động của HER2-TK 3.10 Tương tác của A-32 với tâm hoạt động của HER2-TK Tương tác của một số hợp chất alkaloid có khả năng ức chế 3.11 trung bình với HER2-TK Tương tác của một số hợp chất alkaloid có khả năng ức chế 3.12 kém với HER2-TK Đồ thị năng lượng tự do liên kết (AG - kcal/mol) của các 3.13 phân tử hợp chất flavonoid với HER2-TK Tương tác của các hợp chất flavonoid có khả năng ức chế tốt 3.14 với HER2-TK 3.15 Tương tác của các hợp chất coumarine, ester với HER2-TK 1.1 Trang 16 29 31 43 57 59 60 61 66 66 67 71 72 73 75 77 79 80 84 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ung thư đã và đang là căn bệnh gây ra tỉ lệ tử vong cao trên thế giới hiện nay và được xác định là do sự phân chia tế bào một cách không kiểm soát do đột biến gene [1]. Trong đó, sự hoạt động quá mức của HER2 (Human Epidermal Growth Factor Receptor 2) - thụ thể tăng trưởng biểu bì ở người được cho là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ung thư phổ biến với số lượng mắc mới và tử vong cao hiện nay như ung thư vú [2], [3], ung thư dạ dày [4], [5], ung thư tuyến tiền liệt 161... Trong những năm gần đây, việc chữa trị ung thư đang chuyển hướng từ việc sử dụng các phương pháp truyền thống (phẫu thuật, hóa trị, xạ trị) sang việc sử dụng các loại thuốc nhắm mục tiêu vào các thụ thể hay protein gây bệnh [7], [8], [9]. Phương pháp này được cho là có hiệu quả cao vì nó giải quyết được nguyên nhân trực tiếp gây ra bệnh ung thư, hạn chế việc tiêu diệt các tế bào khỏe mạnh không bị bệnh. Đặc biệt, việc tìm hiểu và sử dụng các loại thuốc có nguồn gốc thiên nhiên đang được ưu tiên hàng đầu vì chúng hạn chế các tác dụng phụ ảnh hưởng xấu đến người bệnh do các loại thuốc tổng hợp gây ra [10]. Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng các sản phẩm tự nhiên trong việc điều trị nhiều loại bệnh, trong đó có các bệnh u xơ. Hiện nay, rất nhiều công trình nghiên cứu công bố về tác dụng của các hợp chất thiên nhiên trong việc hỗ trợ điều trị và điều trị ung thư. Ở Việt Nam, cây Trinh nữ hoàng cung (TNHC), tên khoa học là Crinum latifolum L., đã từ lâu được sử dụng như sản phẩm hỗ trợ điều trị nhiều loại u xơ và ung thư [11], [12], [13]. Đã có nhiều nghiên cứu in vivo và in vitro về hoạt tính sinh học của các hợp chất thiên nhiên chiết xuất từ loại cây này [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], tuy nhiên, chưa có nghiên cứu ở mức độ phân tử nào đánh giá một cách căn bản hoạt tính của các hợp chất trong Trinh nữ hoàng cung với miền tyrosine kinase của thụ thể 2 HER2 để tìm hiểu về tác dụng kháng ung thư của cây thuốc quý này. Do đó cần thiết phải có một nghiên cứu đánh giá cụ thể tương tác của các phân tử hợp chất trong cây Trinh nữ hoàng cung với thụ thể HER2 để có cơ sở khoa học vững chắc, rõ ràng cho các nghiên cứu sâu hơn nhằm phát triển các loại thuốc nhắm mục tiêu có nguồn gốc thiên nhiên an toàn cho con người. Với sự phát triển của khoa học máy tính và khoa học tính toán, việc ứng dụng các phương pháp in silico ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng trong việc thiết kế thuốc nhắm mục tiêu nhằm giảm thời gian, chi phí và các ảnh hưởng xã hội khi thực hiện các thử nghiệm. Bên cạnh đó, các phương pháp này giúp đánh giá toàn diện hoạt tính sinh hóa của các loại phân tử mục tiêu với thụ thể protein. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu hoạt tính sinh học của một số hợp chất trong cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam (Crinum latifolium L.) với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2 bằng phương pháp in silico.” 2 3 A . Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu đề tài HER2 là thụ thể tăng trưởng biểu bì ở người, nó còn được biết với một số tên khác như ErbB2, c-erbB2 hoặc HER2/neu. HER2 là một trong 4 thụ thể thuộc họ EGFR bao gồm HER1 (EGFR), HER2, HER3 và HER4 [23]. Thụ thể HER2 có cấu trúc gồm 3 miền: miền ngoại bào (extracellular domain), miền xuyên màng có cấu trúc a-helix (transmembrane domain) và miền nội bào tyrosine kinase (intracellular tyrosine kinase domain) [24]. Trong đó, miền tyrosine kinase có chức năng như một công tắc “bật” và “tắt” cho nhiều chức năng của tế bào, chẳng hạn như chức năng phân chia tế bào. Khi miền này bị độ biến, ví dụ ở mắc kẹt ở trạng thái “bật” và gây ra sự tăng trưởng không kiểm soát của tế bào, từ đó hình thành nên các khối u và phát triển thành ung thư. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, sự hoạt động quá mức của thụ thể HER2 là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ung thư phổ biến ở người như ung thư vú [2], 3 [3], ung thư buồng trứng [25], ung thư tuyến tiền liệt [6], ung thư dạ dày [4], [5]. Do vậy, việc tìm ra các loại thuốc mục tiêu có khả năng ức chế hoạt động của HER2 nói chung, cụ thể là miền tyrosine kinase là một hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Nghiên cứu lâm sàng về sự kết hợp của các dòng thuốc kháng thể đơn bào trastuzumab với miền ngoại bào cho thấy hiệu quả đáng ngạc nhiên trong điều trị ung thư [26]. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cũng chỉ ra tác dụng phụ liên quan đến tim gây lo ngại về an toàn trong việc sử dụng loại thuốc này [27], [28]. Ngoài ra, các loại thuốc phân tử nhỏ với tyrosine kinase cũng cho ra nhiều kết quả tốt trong điều trị nhiều loại ung thư gây ra bởi HER2. Lapatinib (C29H26ClFN4O4S) là một chất có cấu trúc phân tử nhỏ có khả năng ức chế đối với HER2. Nó được phát triển như một loại thuốc an toàn và hiệu quả để điều trị các bệnh ung thư do sự biểu hiện quá mức của HER1 hoặc HER2 [29]. Các loại thuốc trên đều được sử dụng rộng rãi trong y học hiên nay vì hiệu quả cao, tuy nhiên, điều trị liên tục bằng các tác nhân tổng hợp thường gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng. Nghiên cứu về khả năng tương tác của các hợp chất chiết xuất từ thiên nhiên với thụ thể HER2 ở cấp độ phân tử gần đây đã được thực hiện. Năm 2014, Yim-im và cộng sự đã nghiên cứu về tương tác của các hợp chất trong họ curcuminoid với miền tyrosine kinase thụ thể HER2 (HER2-TK) bằng phương pháp mô phỏng docking phân tử và động lực học phân tử [30]. Các hợp chất được nghiên cứu sở hữu nhiều tương tác khác biệt hơn các chất ức chế miền tyrosine kinase của HER2 đã biết, có thể xem chúng như một loại thuốc đầy triển vọng trong tương lai gần. Ngoài ra, các chất ức chế HER2 mới chống lại ung thư dạ dày có nguồn gốc từ nguồn flavonoid của Syzygium Alternifolium được Tirumalasetty và cộng sự nghiên cứu một cách chi tiết [31]. Trong đó, các hợp chất flavonoid được sàng lọc bằng phương pháp docking phân tử theo năng lượng liên kết (kcal/mol), sau đó, tiến hành mô phỏng động lực phân tử để xác 4 định phức hợp ligand-protein mạnh nhất. Kết quả cho thấy các hợp chất flavonoid này có khả năng tương tác tốt, ức chế hoạt động của thụ thể HER2. Trinh nữ hoàng cung (Crinum latifolium L.) hay còn gọi náng lá rộng, tỏi lơi lá rộng, tây nam văn châu lan, vạn châu lan hay thập bát học sỹ là một loài thực vật có hoa trong họ Thủy tiên (Amaryllidaceae). Loài này ở Việt Nam được Carl Linnaeus miêu tả khoa học đầu tiêu năm 1753. Theo kinh nghiệm dân gian, lá cây TNHC có thể dùng để chữa những trường hợp u xơ và ung thư tử cung, u xơ và ung thư tuyến tiền liệt [11], [12]. Theo y học hiện đại, trong TNHC có chứa những hoạt chất sinh học với khả năng ngăn chặn sự phát triển của tế bào u và kích thích tế bào lympho T hoạt động và phát triển qua đó tăng cường hoạt động miễn dịch [16]. Đồng thời chỉ trong TNHC mới có các hoạt chất như crinafolidine, crinafoline, pratorimine có tác dụng hỗ trợ trị liệu chứng phì đại lành tính tuyến tiền liệt và u xơ tử cung và hoạt chất ức chế sự tăng trưởng của tế bào ung thư [15]. Các kết quả nghiên cứu dược lý cho thấy cao methanol của thân, rễ và cao chiết alkaloid của TNHC đều có tác dụng ức chế phân bào [13], [32]. Một số alkaloid trong cây có hoạt tính sinh học cao như lycorine ức chế protein và DNA của tế bào chuột, đồng thời ức chế u báng cấy ở chuột [33]. Trong những năm trở lại đây, việc tìm ra các thụ thể và thuốc mới an toàn hơn, nhanh hơn và với chi phí thấp hơn đang là nhu cầu cấp thiết của cả thế giới. Để đạt được các mục tiêu này, các phương pháp tính toán, mô phỏng trong quá trình khám phá thuốc đã trở nên rất quan trọng. Sự tiến bộ liên tục trong việc ứng dụng sức mạnh tính toán vào hóa học và sinh học đã tác động đáng kể đến quy trình phát triển thuốc hiện đại [34]. Trong thế giới ngày nay, ngoài một số công nghệ omics, các công nghệ hiện đại khác như hóa học tổng hợp, sàng lọc ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion and Toxicity) và thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc (Structure-Based Drug Design - SBDD) đã 5 cách mạng hóa quá trình khám phá thuốc [35]. Quan trọng hơn, vai trò của máy tính và kỹ thuật tính toán, mô phỏng trong quá trình phát hiện và phát triển thuốc đã trở nên phổ biến và được thực hiện. Một ví dụ đơn giản là nghiên cứu tương tác thuốc. So với các phương pháp thực nghiệm truyền thống, các phương pháp in silico có ưu thế giúp thiết kế những phân tử thuốc mới với những ưu thế vượt trội, giúp hiểu rõ bản chất phân tử của các tương tác thuốc, điều mà hiện nay đang rất khó khăn đối với thực nghiệm. Ngoài ra chúng cho phép dự đoán hoạt tính sinh học thông qua việc sử dụng các mô hình toán học, nghiên cứu dự đoán cơ chế tác dụng, cơ chế gây độc của các hợp chất. Các phương pháp thử nghiệm rất tốn nhiều thời gian và kinh phí, do đó, việc dự đoán về các tương tác giữa thuốc và các mục tiêu bằng phương pháp in silico ở cấp độ phân tử cung cấp thông tin có giá trị trong việc hỗ trợ dữ liệu thử nghiệm. Do đó, các phương pháp tính toán được coi là cần thiết bổ sung cho các kỹ thuật thí nghiệm [36], [37]. 3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu - Mô phỏng docking phân tử và phân tích tương tác của các phân tử hợp chất có trong cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2. - So sánh khả năng tương tác giữa các phân tử các chất có trong Trinh nữ hoàng cung và tyrosine kinase của thụ thể HER2 với các loại thuốc đang được sử dụng. Từ đó đề xuất các hợp chất có tiềm năng trong việc ức chế hoạt động miền tyrosine kinase của thụ thể HER2. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: Thuốc mục tiêu nhắm miền tyrosine kinase của thụ thể HER2. + Phạm vi nghiên cứu: Hoạt tính sinh học của một số hợp chất chiết xuất từ cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam đối với thụ thể HER2. 6 5. Phương pháp nghiên cứu Các phần mềm máy tính đã được ứng dụng vào nhiều giai đoạn của quá trình nghiên cứu và phát triển thuốc, từ tìm kiếm các hợp chất hóa học có hoạt tính sinh học, đến tối ưu hóa cấu trúc các hợp chất này nhằm tăng hoạt tính sinh học, giảm độc tính, tăng các tính chất dược động học của thuốc, đến các giai đoạn nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng. Chúng được gọi chung là các phương pháp “in silicó” nhằm phân biệt với các phương pháp in vivo và in vitro. Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra chúng tôi sử dụng các phương pháp in silico gồm hóa học lượng tử và docking phân tử. Trong luận văn này, trước tiên, chúng tôi còn sử dụng phần mềm hóa học lượng tử Gaussian 09 nhằm tối ưu hóa các cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ bằng phương pháp phiếm hàm mật độ B3LYP và bộ hàm cơ sở tách đôi kết hợp kết hợp với hàm khuếch tán và hàm phân cực 6-31++G(d,p). Sau đó, để tìm hiểu bản chất tương tác của các hợp chất với miền tyrosine kinase thụ thể HER2, chúng tôi tiến hành phương pháp mô phỏng docking phân tử (Molecular Docking) bằng phần mềm Autodock 4.2. Docking phân tử là một phương pháp cho phép dự đoán định hướng ưu tiên của một phân tử (thường có kích thước nhỏ hơn) vào phân tử thứ hai (thường có kích thước lớn hơn) khi chúng tương tác với nhau để tạo thành một phức ổn định. Các định hướng ưu tiên lần lượt có thể sử dụng để dự đoán độ bền liên kết giữa hai phân tử dựa trên hàm đánh giá (scoring function) cũng như vị trí gắn kết [38]. Docking phân tử thường được áp dụng trong quá trình thiết kế thuốc dựa vào cấu trúc mục tiêu tác động, nghiên cứu khả năng gắn kết một hay nhiều phân tử hợp chất (ligand) vào hốc gắn kết (binding site - active site) của protein, enzyme, DNA... trong cấu trúc ba chiều [38]. Docking phân tử có vai trò quan trọng trong việc dự đoán ái lực và hoạt tính của các dược chất đối với protein, từ đó dự đoán khả năng hoạt hóa hoặc ức 7 chế một protein chức năng. Bên cạnh đó docking phân tử cũng giúp dự đoán tâm hoạt động, vị trí, cấu hình thuận lợi của ligand tham gia phản ứng khi xem xét cơ chế xúc tác của enzyme (cũng là một loại protein chức năng). Docking phân tử trở thành phương pháp tối ưu để giải quyết bài toán tìm vị trí và cấu hình phù hợp nhất của một ligand gắn kết lên protein [39]. Ngoài ra chúng tôi còn sử dụng các phần mềm hỗ trợ đồ họa và phân tích kết quả như PyMol, AutoDock Tools, Gaussview, Origin 8.5, ... 6. Cấu trúc luận văn Chương 1. Cơ sở lý thuyết của một số phương pháp in silico - Tổng quan cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử: Phương trình Schrodinger, phương pháp DFT, khái niệm về các bộ hàm cơ sở thường dùng trong hóa học tính toán. - Tổng quan cơ sở lý thuyết về phương pháp docking phân tử: giới thiệu về phương pháp docking phân tử, các dạng mô phỏng docking, các phần mềm mô phỏng docking và quy trình thực hiện mô phỏng docking. Chương 2. Tổng quan về hệ chất nghiên cứu - Giới thiệu khát quát về protein HER2 về cấu tạo, chức năng trong tế bào, ảnh hưởng của protein HER2 trong bệnh ung thư. Bên cạnh đó, giới thiệu tình hình nghiên cứu các loại thuốc mục tiêu nhắm thụ thể HER2 trong điều trị và hổ trợ điều trị ung thư. - Giới thiệu khái quát về cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam: thành phần hóa học; các hợp chất có hoạt tính sinh học trong cây Trinh nữ hoàng cung. Chương 3. Kết quả và thảo luận - Trình bày các kết quả đạt được sau khi tiến hành mô phỏng docking phân tử về năng lượng liên kết, hằng số ức chế và phân tích các tương tác của các hợp chất được chiết xuất từ cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam với thụ thể HER2. Các chất này được phân loại theo các hợp chất alkaloid, flavonoid,... Đồng 8 thời, so sánh khả năng tương tác của các hợp chất trên với các loại thuốc hiện hành. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả của nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ bản chất tương tác giữa các phân tử có cấu trúc phân tử nhỏ với miền tyrosine kinase của thụ thể HER2. Bên cạnh đó, nghiên cứu so sánh khả năng tương tác giữa các phân tử thuốc tổng hợp với các phân tử hợp chất thiên nhiên, từ đó, đề nghị những hợp chất thiên nhiên chiết xuất từ cây Trinh nữ hoàng cung Việt Nam có tiềm năng trong việc ức chế hoạt động của thụ thể HER2. Kết quả nghiên cứu góp phần quan trọng trong nghiên cứu và thiết kế thuốc mục tiêu có nguồn gốc từ thiên nhiên nhằm điều trị và hổ trợ điều trị các loại bệnh ung thư có tác nhân là thụ thể HER2. NỘI DUNG LUẬN VĂN •• CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP IN SILICO Các phương pháp in silico là các phương pháp tiến hành các thí nghiệm bằng mô phỏng trên máy tính. Với sự phát triển của khoa học máy tính, các phương pháp in silico ngày càng trở nên thông dụng và trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều nghiên cứu. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai phương pháp in silico là phương pháp tính toán hóa lượng tử phiếm hàm mật độ và phương pháp mô phỏng docking phân tử. 1.1. PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT) [40], [41] xuất phát từ quan điểm cho rằng năng lượng của một hệ các electron có thể được biểu thị như một hàm của mật độ electron p( r ). Thật vậy, năng lượng của hệ các electron E [p( r)] là một phiếm hàm đơn trị của mật độ electron. 1.1.1. Mô hình Thomas - Fermi Năm 1927, Thomas và Fermi chỉ ra sự tồn tại của một phiếm hàm năng lượng, và tìm ra một biểu thức năng lượng Thomas - Fermi cho nguyên tử dựa trên mật độ electron là: ETF[p] = -3(3K2)2/3jp5/3(r)dr-Zjdr p’i i + 1 Ídr1dr2 p(r)py r 10 -K - r 2 r - r (1.1) Trong đó Z là điện tích của hạt nhân, R là vectơ toạ độ của hạt nhân, r là vectơ toạ độ electron. Phương trình này chỉ dùng cho nguyên tử (có một hạt nhân). Mô hình Thomas - Fermi quá đơn giản, không dùng được cho phân tử, độ chính xác khi dùng cho các nguyên tử cũng không cao, chỉ nghiệm đúng trong một số ít trường hợp (coi electron là các hạt độc lập).